521331A/S SUODATTIMET 2011-2012

Luennot (periodi 3-4): prof. Timo Rahkonen (TS203) (etunimi.sukunimi@ee.oulu.fi).

Laskuharjoitukset (periodi 3): Kimmo Lasanen (TS222) (etunimi.sukunimi@ee.oulu.fi).

Laskuharjoitukset (periodi 4): Marko Neitola (etunimi.sukunimi@ee.oulu.fi).

Harjoitustyö (periodi 4): Marko Neitola (etunimi.sukunimi@ee.oulu.fi).

Harjoitustyöhön voi nyt ilmoittautua elektroniikan laboratorion ilmoitustaululla. Suoritusaika kevät 2012.

HARJOITUSTÖIDEN PALAUTUS OPTIMAAN, SUODATTIMET-KURSSIN TYÖTILAAN!

Tavoitteet

Tämä kurssi käsittelee analogisten suodattimien analyysiä ja synteesiä.

Kurssimateriaali

Kurssista on laadittu kattava moniste

Asiasta kiinnostuneille käy myös

Toteutus

Luentoja 25 h, 2-3 h/vko periodeilla III-IV
Laskuharjoituksia 25 h, 2-3 h/vko periodeilla III-IV
Suunnitteluharjoitus 10h, omatoiminen.

Laskuharjoitukset (Exercises)

Tikapuusuodattimien suunnitteluohje

Muutamien aktiivisten suodattimien siirtofunktioiden johtamisia löytyy täältä.

Harjoitustyö (Exercise work)

*** ilmoittautumislista ilmestyy elektroniikan laboratorion aulan ilmoitustaululle vuodenvaihteeseen mennessä ***

Lisätkää harjoitustyön dokumentin kanteen sähköpostiosoitteenne ja opiskelijanumeronne.

Harjoitustyössä käytettävän operaatiovahvistimen symboleja löytyy useita Orcad:sta ja kaikilla symboleilla simuloinnit eivät välttämättä toimi. Jos ilmenee tällaisia ongelmia, käyttäkää jotain toista mallia.

Työ tehdään max. 2 henk ryhmissä, ja siinä suunnitellaan epäsymmetrinen aktiivinen kaistanpäästösuodatin. Suodattimessa on kaksi nollaa origossa ja kaksi kompl. napaparia, joiden napataajuus ja hyvyysluku etsitään alla olevalla Matlab-ohjelmalla (pyörii osaston unix-koneissa), minkä jälkeen suodatin toteutetaan ja simuloidaan esim.OrCadin piirisimulointiohjelmalla (osaston PC-luokassa tai demoversiolla). Lopuksi laaditaan tehdystä työstä raportti, jonka malli on esitetty arvostelukriteerit linkin
alla. TYÖN PALAUTUS OPTIMAAN SUODATTIMET-KURSSIN TYÖTILAAN.

Ilmoittautumislista tulee Elektroniikan laboratorion aulaan. Muista ryhmäsi numero, sillä se määrää suodattimesi speksit!

- Laittakaa ryhmän jäsenten nimet elektroniikan laboratorion aulassa olevaan listaan (2 hlöä / ryhmä).  Write the names of your group to the list on the lobby of ELLAB.

- Muistakaa ryhmänne numero.  Remember the number of your group.

- Ladatkaa ryhmän numeroa vastaava  Matlab-ohjelma alta ja harjoitustyön ohje täältä. Download the Matlab code numbered by your group number (ryhmät) and the instruction of the exercise work here.

ryhmät 1,5,9,13,...
ryhmät 2,6,10,14,..
ryhmät 3,7,11,15,...
ryhmät 4,8,12,16,...

- Matlab-ohjelman speksit on normalisoitu ykköstaajuudelle. Toteutusvaiheessa  ykköstaajuus skaalataan ylemmäksi ryhmäkohtaisesti seuraavasti:

-The specifications of the Matlab code are normalized. To implement a filter, the frequency of 1 has to be scaled to the real value by using a list below. (again choose a frequency, which is after your group number (ryhmät))

ryhmät  1-4, 13-16, 25-28 taajuudelle 3 kHz
ryhmät  5-8, 17-20, 29-32 taajuudelle 5 kHz
ryhmät  9- 12, 21-24, 33-36 taajuudelle 7 kHz

 

- Matlab-ohjelman avulla saatujen hyvyyslukujen ja napataajuuksien avulla suunnitellaan aktiivinen suodatin.  The active filter is designed  by means of quality factors and pole frequences derived by Matlab.

- Varmentakaa suodattimen toiminta ohjeen mukaan käyttämällä Orcad:a. Ohjeita Orcad:n käyttöön löytyy täältä. Cofirm the operation of a filter by using Orcad.

- Dokumentoikaa työnne. Arvostelukriiteerit löytyvät täältä. Document your work. Grading rules and instructions can be downloaded here. 

- Palauttakaa valmis työ sähköisessä muodossa Optimaan.  Return the document to the course work space (Suodattimet) in Optima.

Tentit

Varmista, että omassa laskimessasi on hyberboliset funktiot ja opettele käyttämään niitä. Tentin valvojilta voit  ennen tentin alkua lainata hyväksytyn laskimen. Tentissä on sallittua käyttää graafista laskinta.

Tenteissä jaetaan kaavakokoelma, jossa on sekalaisessa järjestyksessa ja nimeltä mainitsematta tehtävissä tarvittavia kaavoja ja taulukoita. Ulkomuistia ei siis tarvitse, näkömuistia kuitenkin.

Ohjelmistoja

Omatoimista kokeilua tukevia piirisuunnitteluohjelmistoja loytyy taalta .

Ja täältä löytyy vanha nolla-napa -kartta Javalla tehtynä.

 

Monisteen sisällysluettelo

1. SUODATTIMIEN OMINAISUUKSIA JA TOTEUTUSTAPOJA 7

1.1 Suodattimien käyttötarkoituksia 7

1.2 Suodattimien toteuttamisesta 8

1.3 Suodattimien toteutustavoista 9

1.4 Suodattimen suunnittelun kulku 17

2. SUODATTIMIEN SPESIFIOINTI 19

2.1 Suodatinfunktiot 19

2.2 Amplitudivaste 20

2.3 Vaihevaste ja ryhmäviive 22

2.4 Aikavasteen mukaan spesifioiminen 28

2.5 Muita ominaisuuksia 29

2.6 Tyypillisiä suodatinsovelluksia 31

3. SUODATINFUNKTIOT 33

3.1 Nollien ja napojen käsite 33

3.2 Perustavaa laatua olevia rajoituksia suodatinfunktiolle 34

3.3 Verkkofunktioiden esitystapoja 35

3.4 Verkkofunktioiden visualisointi 37

3.5 Boden kuvaajat 40

3.6 Reaaliset vs. kompleksiset navat 41

3.7 Kompleksisten napajen vaikutus 42

3.8 Suodatinfunktioiden rakenteita 44

3.9 Toisen asteen termien taajuusvasteet 45

3.10 Tyypillisten suodattimien nolla-napa -karttoja 47

3.11 Suodatinfunktioiden impulssi- ja askelvasteita 52

4. SUODATINSPESIFIKAATIOIDEN NORMALISOINTI 55

4.1 Suodattimien suunnitteluproseduuri 55

4.2 Normalisoinnit ja niiden syyt 56

4.3 Alipäästövaste 58

4.4 Ylipäästövaste 60

4.5 Kaistanpäästövaste 62

4.6 Kaistanestovaste 63

4.7 Yhteenveto taajuusmuunnoksista 64

4.8 Taajuusvasteiden symmetrointi 67

4.9 Geffen algoritmi 70

5. PROTOTYYPPISUODATTIMET 71

5.1 Suodatinprototyyppien perusteet 71

5.2 Huomattavaa suodatinapproksimaatioista 72

5.3 Butterworthin suodatin 73

5.4 Chebychevin suodatin 82

5.5 Käänteinen Chebychevin suodatin 89

5.6 Elliptinen suodatin (Cauerin suodatin) 95

5.7 Besselin suodatin 101

5.8 Muita suodatinprototyyppejä 107

5.9 Ryhmäviiveen korjaaminen 109

5.10 Ensimmäisen asteen viivekorjain 111

5.11 Toisen asteen viivekorjain (allpass-suodatin) 112

6. RLC-TIKAPUUSUODATTIMIEN SYNTEESI 113

6.1 Johdanto 113

6.2 Muutamien piirien suodatinfunktioita 115

6.3 Syöttöpiste- ja siirtofunktioiden synteesistä 117

6.4 Yhdellä vastuksella terminoidut LC-tikapuusuodattimet 118

6.5 Kummastakin päästä terminoidut tikapuusuodattimet 120

6.6 Terminoitujen LC-2-porttien synteesiproseduuri 122

6.7 Synteesin rajoituksia 125

6.8 Kaksoisterminoitujen RLC-suodattimien synteesiproseduuri 126

6.9 Nollia imaginääriakselilla 138

7. HERKKYYSANALYYSI 139

7.1 Yleistä 139

7.2 Analyyttinen herkkyysanalyysi 141

7.3 Tellegenin teoreema 143

7.4 Amplitudivasteen herkkyys eri tekijöille 144

7.5 RLC-suodattimien herkkyys komponenttien häviöille 147

7.6 Herkkyys operaatiovahvistimen vahvistuksen arvolle 148

7.7 Aktiivisen integraattorin hyvyysluku 150

7.8 Suodattimen vasteen vaikutus herkkyyteen 152

7.9 Suodattimen rakenteen vaikutus herkkyyksille 154

8. AKTIIVISTEN RC-SUODATTIMIEN TOTEUTUS 157

8.1 Yleistä 157

8.2 Operaatiovahvistimen ominaisuuksia 158

8.3 Aktiivisuodattimien yleisiä piirteitä 161

8.4 Suodattimien rakenteista 162

8.5 Komponenttiarvojen normalisoinnit ja taajuusmuunnokset 169

8.6 Sallen-Key -alipäästösuodattimet 170

8.7 Muita S-K-rakenteita 174

8.8 Rauch -alipäästösuodatin ( 176

8.9 Delyiannis-Friend -kaistanpäästösuodatin 177

8.10 Biquad-suodatin 179

8.11 Kaistanestorakenteet 182

8.12 Ryhmäviivekorjaimet (all-pass -asteet) 184

8.13 Vaihtoehtoisia rakenteita 185

8.14 Operaatiovahvistimien ominaisuuksista 186

9. sUODATTIMIEN DYNAAMINEN ALUE 189

9.1 Dynamiikasta 189

9.2 Aktiivisuodattimien särö 190

9.3 Kohinan syyt ja kokonaiskohinan laskeminen 192

9.4 RC-suodattimien kohina 194

9.5 Aktiivisten resonaattoreiden kohina 196

9.6 Passiivisten suodattimien kohina 198

9.7 Dynaamisen alueen määritelmät 200

9.8 Kaskadirakenteisen aktiivisuodattimen dynamiikasta 202

9.9 Kaskadiasteiden järjestys ja nollien ja napojen ryhmittely 205

9.10 Vahvistuksen skaalaaminen 206

10. JAKAUTUNEET SUODATTIMET 209

10.1 Yleistä siirtojohdoista 209

10.2 Jakautuneitten piirielementtien käsittely 210

10.3 Siirtojohtojen teoriaa 211

10.4 Suodattimen toteutus lyhyillä siirtojohdoilla 216

10.5 Siirtojohtoresonaattorit 218

10.6 Siirtolinjasuodattimien toteustapoja 220

10.7 Onteloresonaattorit 222

10.8 Jakautuneisiin RC-piireihin perustuvat suodattimet 223

11. SC-SUODATTIMET 227

11.1 Perusteita 227

11.2 Diskreettiaikaiset systeemit 228

12. gm-C -suodattimet 235

12.1 gm-C -suodattimet 235

12.2 gm-C -suodattimien rakenteita 236

12.3 Muutamia epäideaalisuuksia 237

13. KOMPLEKSILUKUKERTOIMISET SUODATTIMET 239

Last Modified: Dec. 16, 2011.